GeSiSn тонкие пленки с наноостровами: деформация-драйв морфология, контроль суперструктуры и средне-IR фоtoluminescence

Аннотация

Это исследование устанавливает, как критическая толщина двухмерно-трехмерного (2D-3D) перехода в GeSiSn пленках зависит от Sn состава при фиксированной Ge фракции. Рост при 150 °C и Sn содержании до 16% показывает, что переходная толщина сокращается с ростом Sn, подтверждая деформационно-драйвиваемый начало островного роста. Фазовые диаграммы, описывающие эволюцию поверхностных суперструктур при осаждении Sn на Si(100) и Ge(100), представлены, позволяя точный мониторинг Sn покрытия через RHEED и предотвращение сегрегации Sn. Тщательной настройкой температур роста мы изготовили многослойные стеки, включающие псевдоморфные GeSiSn слои и наноостровные массивы с плотностью до 1,8 × 10¹² см⁻². Особенно, двойная-доменная (10 × 1) суперструктура появляется при Si наращивании на GeSiSn и трансформируется в (2 × 1) структуру при мягком отжиге. Фоtoluminescence от этих периодических структур охватывает 0,6–0,85 эВ (1,45–2 мкм). Банда-диаграмма расчеты для Ge₀.₃₁₅Si₀.₆₅Sn₀.₀₃₅ гетероструктур указывают, что эмиссия происходит от интер-банд переходов между X долиной Si (или Δ₄ долиной GeSiSn) и тяжелой-дырочной суббандой GeSiSn.

Введение

Кремниевая фотоника успешно произвела волноводы, фотодетекторы и модуляторы, однако эффективная световая эмиссия остается недостижимой, потому что Si обладает непрямой запрещенной зоной. Добавление Sn к Ge, Si или GeSi аллоям предлагает путь к прямозонному IV-групповому полупроводнику. В GeSn разделение Γ–L долин сужается, и прямая запрещенная зона появляется при ≈9% Sn в кубической решетке; этот порог падает ниже 6% под растягивающей деформацией и поднимается выше 11% под сжимающей деформацией. Включение Sn также снижает запрещенную зону, расширяя работу в средний инфракрасный — критически важный для оптических интерконнектов, волоконно-оптических линий, сенсоров и устройств энергоконверсии. Следовательно, Ge-Si-Sn материалы привлекают растущий исследовательский интерес.

Несмотря на значительный прогресс в производстве высококачественной GeSn эпитаксии, проблемы сохраняются: осаждение Sn и сегрегация во время роста или оксидации. Неравновесные техники, такие как MBE и CVD, подавляют эти дефекты, и стратегии вроде сниженной температуры роста, деформационной инженерии или тернарного аллоя с Si смягчают осаждение Sn. Однако детальные морфологические и поверхностно-структурные данные для однохрустальных GeSiSn пленок остаются скудными, препятствуя проектированию наногетероструктур с контролируемой деформацией и запрещенной зоной.

Эта работа устраняет эти пробелы, представляя многослойные суперрешетки, сочетающие псевдоморфные GeSiSn слои и наноострова без дислокаций, позволяя настройку запрещенной зоны в широком инфракрасном диапазоне. Мы предоставляем новые данные критической толщины 2D-3D перехода для фиксированного Ge содержания и Sn 0–16%, фазовые диаграммы для Sn роста на Si(100) и Ge(100), и фоtoluminescence характеристику полученных периодических структур. Банда-диаграмма расчеты, использующие модель-твердотельной теорию, эллидуют наблюдаемые механизмы эмиссии.

Экспериментальная часть

Все образцы растили в ультравысоковакуумной MBE камере (10⁻⁷–10⁻⁸ Па) на Si(100) субстратах с использованием системы Katun C. Si испаряли с электронно-лучевого источника; Ge и Sn поставляли Кнудсеновскими ячейками. Скорость роста GeSiSn составляла 0,015–0,05 нм/с, температура субстрата варьировалась 150–450 °C. Sn концентрации изменяли 0–20% регулировкой флюксовых соотношений. Фабриковали как одиночные GeSiSn слои, так и многослойные стеки (GeSiSn/Si гетероструктуры). В многослойных структурах GeSiSn слой следовал 10-нм Si капсуле, выросшей при 400–500 °C. RHEED мониторил поверхностную эволюцию в реальном времени; интенсивностные профили вдоль кристаллографических стержней извлекали из видеозаписей для определения 2D-3D переходной толщины. STM (Omicron-Riber) изучал поверхностную морфологию, и фоtoluminescence (PL) использовал ACTON 2300i монохроматор с InGaAs детектором (1,1–2,2 мкм). 532 нм Nd:YAG лазер возбуждал образцы.

Результаты и обсуждение

GeSiSn пленки осаждали при 150 °C с Sn содержанием 0–16%. Накопление деформации из-за решетчатого несоответствия вызывало 2D-3D переход на критической толщине, зависящей от Sn фракции. Рис. 1 иллюстрирует RHEED-основанное определение для Ge₀.₆Si₀.₂₈Sn₀.₁₂, где резкий рост интенсивности маркирует переход.

Критические толщины для всех Sn составов (0–16%) при 150 °C показаны на рис. 2. По мере увеличения Sn решетчатое несоответствие с Si растет от 2,5% до 5,6%, вызывая переход на более тонких пленках. Этот тренд подтверждает деформационно-драйвиваемую природу нуклеации островов.

Используя эти диаграммы, мы изготовили многослойные структуры, либо сохраняющие псевдоморфные GeSiSn слои, либо намеренно вводящие наноострова. Однако сегрегация Sn при Si наращивании может генерировать нежелательные поверхностные реконструкции. Фазовые диаграммы Sn на Si(100) и Ge(100) (Рис. 3) отображают эволюцию поверхностных суперструктур в диапазоне 100–750 °C, позволяя идентифицировать точное Sn покрытие во время роста. Двойная-доменная (10 × 1) суперструктура, наблюдаемая при Si депонировании на GeSiSn, исчезает после краткого отжига при 400–500 °C, возвращаясь к (2 × 1) структуре, характерной для чистого Si.

STM изображения Ge₀.₇₅Si₀.₂Sn₀.₀₅ поверхностей (Рис. 5) раскрывают наноостровные массивы с плотностью до 1,8 × 10¹² см⁻² и средними диаметрами 4–9 нм, в зависимости от периода роста. Более высокие Sn фракции во время последовательных Si слоев увеличивают плотность островов, уменьшая размер, в согласии с наблюдаемым сдвигом от (2 × 1) к c(8 × 4) поверхностным реконструкциям. Оптимальное окно роста для плотных, равномерных островов — 150–250 °C, где RHEED осцилляции подтверждают двухмерный влажный слой рост до нуклеации островов.

TEM анализ 25-нм-периода Ge₀.₅Si₀.₄₅Sn₀.₀₅/Si суперрешетки (Рис. 6) подтверждает отсутствие нитевидных дислокаций и резкость интерфейсов, валидируя псевдоморфную природу слоев. Рентгеновская дифракция подтверждает намеренные составы, соответствующие установленным флюксовым соотношениям в экспериментальной неопределенности.

Фоtoluminescence спектры многослойных структур (Рис. 7) показывают пики при 0,78, 0,69 и 0,65 эВ, соответствующие 1,59, 1,80 и 1,90 мкм. Эмиссия смещается к более низким энергиям и увеличивается в интенсивности с более высоким Sn содержанием (3,5–6%). Банда-диаграмма расчеты, использующие модель-твердотельную теорию, показывают, что PL происходит от интер-банд переходов между Si X долиной (или Δ₄ долиной GeSiSn) и тяжелой-дырочной суббандой GeSiSn. Расчеты также раскрывают, что увеличение Sn глубины расширяет квантовую-колодцевую потенциал, усиливающую радиативную рекомбинацию.

Банда-диаграмма моделирование Si/Ge₀.₃₁₅Si₀.₆₅Sn₀.₀₃₅/Si гетероструктуры (Рис. 8) подтверждает интер-банд происхождение PL и квантифицирует деформационно-индуцированные смещения полос. Рассчитанные края полос согласуются с экспериментальными пиковыми позициями, подчеркивая валидность модели.

Заключение

Мы квантифицировали критическую 2D-3D толщину для GeSiSn пленок с фиксированным Ge содержанием и Sn 0–16% при 150 °C, раскрывая четкое деформационно-драйвиваемое снижение с ростом Sn. Фазовые диаграммы для Sn на Si(100) и Ge(100) предоставляют практический инструмент для мониторинга и подавления Sn сегрегации во время многослойного роста. Изготовленные суперрешетки содержат псевдоморфные GeSiSn слои или наноостровные массивы с плотностью до 1,8 × 10¹² см⁻². Первое наблюдение (10 × 1) двойной-доменной суперструктуры при Si наращивании на GeSiSn, трансформирующейся в (2 × 1) при мягком отжиге, демонстрирует чувствительность поверхностных реконструкций к Sn покрытию. Фоtoluminescence от этих периодических структур охватывает 0,6–0,8 эВ (1,45–2 мкм), и банда-диаграмма анализ атрибутирует эмиссию к X- или Δ₄-долина к тяжелой-дырочной переходам. Будущая работа изучит более высокие Sn фракции для продвижения эмиссии за 2 мкм.

Аббревиатуры

CVD:

Химическая паровая депозиция

MBE:

Молекулярно-лучевая эпитаксия

ML:

Монослой

PL:

Фоtoluminescence

RHEED:

Рефлексивная высокоэнергетическая электронная дифракция

STM:

Сканирующая туннельная микроскопия

TEM:

Трансляционная электронная микроскопия